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3D打印PEEK樣品的層間結(jié)合強度

魔猴君  知識堂   1248天前

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熔融沉積成形(FDM)是一種將聚合物長絲材料熔融并通過逐層沉積方式進行樣件制造的3D打印工藝,該工藝具有定制設(shè)計、高復(fù)雜零件制造、按需制造和低成本等優(yōu)勢,但由于層間力學(xué)性能普遍較差,阻礙了其向更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

美國理海大學(xué)的Chya-Yan Liaw等使用了三點彎曲試驗研究了3D打印工藝參數(shù)(包括噴嘴溫度、打印速度、層高和等待時間)對PEEK試件層間結(jié)合強度的影響,并根據(jù)結(jié)果開發(fā)了一種實驗設(shè)計方法研究了打印參數(shù)與最終使用特性(包括彎曲應(yīng)力、斷裂應(yīng)變、彎曲模量、結(jié)晶度)之間的相關(guān)性。

層間結(jié)合強度的測試如圖1所示,根據(jù)ISO 178確定出如圖1(a)所示的標(biāo)準(zhǔn)模型,并將樣本置于垂直方向進行打印,改變工藝參數(shù)條件制備如圖1(b)所示12組測試樣件,為驗證層間結(jié)合強度將樣品進行如圖1(c)和(d)所示的三點彎曲試驗,試驗載荷垂直于沉積方向施加,并施加到印刷層之間的界面。在下表面張力的作用下,失效主要由層間的粘結(jié)所決定。

1 層間粘合強度測試

根據(jù)測試結(jié)果,粘結(jié)強度與噴嘴溫度最為密切相關(guān),且噴嘴溫度越高,粘結(jié)強度越高,主要機理在于提高了新舊材料浸潤性和分子鏈的遷移率。等待時間和層高對斷裂應(yīng)力都有負面影響,較長的等待時間可能導(dǎo)致印刷層的溫度顯著下降,限制了分子擴散;過大的層高可能導(dǎo)致層間形成更大尺寸的空隙,層間鍵合和斷裂應(yīng)力變?nèi)酢S捎趯⒌却龝r間單獨考慮,速度對層間粘結(jié)強度的影響可以忽略不計。

進一步探究了斷裂應(yīng)力與斷裂應(yīng)變、模量、結(jié)晶度的變化關(guān)系。如圖2(a)所示,斷裂應(yīng)力/應(yīng)變是層間結(jié)合強度的直接結(jié)果,并且在實驗過程中發(fā)現(xiàn)斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變之間呈正趨勢。如圖2(b)所示,在斷裂應(yīng)力方面沒有觀察到與模量的顯著趨勢,表明模量與層間粘合強度沒有密切關(guān)系,而是取決于打印部件的層高(幾何參數(shù))。如圖2(c)所示,結(jié)晶度和斷裂應(yīng)力/應(yīng)變之間存在正相關(guān)關(guān)系。圖2中的紅色回歸線顯示了斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變、斷裂應(yīng)力和結(jié)晶度的統(tǒng)計學(xué)關(guān)系,根據(jù)推算斷裂應(yīng)變和結(jié)晶度每增加一個單位,斷裂應(yīng)力分別增加約14 MPa和6 MPa。

2 斷裂應(yīng)力與(a)斷裂應(yīng)變,(b)模量,(c)結(jié)晶度關(guān)系

參考文獻:

Liaw, C., J. W. Tolbert, L. W. Chow, M. Guvendiren (2021). " Interlayer bonding strength of 3D printed PEEK specimens." Soft Matter, 2021. 17(18): p. 4775-4789.

   

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